1 中国科学院上海技术物理研究所，上海200083红外探测全国重点实验室，上海200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海200083红外探测全国重点实验室，上海200083无锡中科德芯感知科技有限公司，江苏 无锡214135
人类的探索欲望及数千年来的不断积累促成了20世纪60年代的四大天文发现，而大气层对天文观测的一些根本性限制促使人们在20世纪冲出地球进入太空。在宽广的波段进行天文观测有着极为苛刻的要求，新猜想和模型的提出也要求进行新的验证，这些都促进了观测设备及器件的性能趋于极致。本文旨在对此进行简要的回顾分析并列举一些典型实例，侧重考察其探测波段、主镜或天线的口径、探测仪器及所用器件的类型和性能等，以便进行纵向和横向的比较，温故而思新。
天文观测 红外 太赫兹 毫米波 射频与微波 astronomical observation infrared terahertz millimeter wave radio frequency and microwave
1 哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080
2 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术国家重点实验室，上海 200083
3 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室，上海 200083
研究了分子束外延生长条件对高铟组分InGaAs材料性能的影响，分析了生长温度、V/III比和As分子束形态对In0.74Ga0.26As材料光致发光和X射线衍射峰强度、本底载流子浓度和迁移率的影响。测试结果表明：适中的生长温度和V/III比可以提高材料晶格质量，减少非辐射复合，降低本底杂质浓度。As分子束为As2时In0.74Ga0.26As材料质量优于As4分子束。当生长温度为570 ℃，As分子束形态为As2，V/III比为18时，可以获得较高的光致发光和X射线衍射峰强度，室温和77 K下的本底载流子浓度分别达到6.3×1014 cm-3和4.0×1014 cm-3，迁移率分别达到13 400 cm2/Vs和45 160 cm2/Vs。
InGaAs 高铟组分 短波红外 分子束外延 迁移率 InGaAs high indium composition short-wave infrared molecular beam epitaxy（MBE） mobility
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
三五族化合物半导体具有丰富的特性，使其在电子学、光电子学以及光子学领域获得了各种应用，这些都源自于三族元素和五族元素构成之二元系的各种魔幻组合形成的多变特性。本文基于二元系砷化物、磷化物及锑化物，对其构成的各种三元系、四元系和五元系的特征进行了几何图示阐述，主要涉及其带隙、晶格常数及其与不同衬底的晶格匹配区域。对氮化物和稀氮、铋化物和稀铋以及硼化物的一些特性也进行了简要讨论。通过对整个三五族化合物半导体的全面了解将有助于深入了解其潜力和可持续发展态势，包括存在的诸多挑战。
三五族化合物半导体 二元系 三元系 四元系 五元系 III-V compound semiconductors binary ternary quaternary quinary
1 山东大学 a.光学高等研究中心
2 b.信息科学与工程学院，山东青岛 266237
3 山东大学 b.信息科学与工程学院，山东青岛 266237
4 中国科学院 a.上海技术物理研究所，上海 200083
5 b.上海微系统与信息技术研究所，上海 200050
为了增强短波红外成像仪的成像对比度，提高目标的识别率，介绍了一种基于现场可编程门阵列 (FPGA)的灰度拉伸算法的实现方法。利用视频数据两帧之间灰度分布近似的特性，通过统计上一帧图像的灰度分布，计算图像拉伸所需要的参数，处理当前帧的图像，达到实时处理的效果。在灰度统计模块中，利用 FPGA的片上块随机存储器 (Block RAM)资源，采用非倍频的流水线数字逻辑设计，避免了跨时钟域的操作，降低了系统状态机的复杂度，提高了系统的工作频率。采用国产 320×256元 InGaAs面阵探测器，搭载了 Xilinx Artix-7系列芯片的实验平台进行实验，仿真结果表明,该方法能有效提高短波红外图像的对比度，具有占用资源少、运算速度快、成本低、可移植性高等优点，满足短波红外成像仪实时灰度拉伸处理的设计要求。
灰度统计 灰度拉伸 现场可编程门阵列 块随机存储器 grayscale statistics grayscale stretching Field Programmable Gate Array Block RAM 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(7): 713
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感器技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
采用In0.74Al0.26As / In0.74Ga0.26As / InxAl1-xAs异质结构多层半导体作为半导体层，制备了金属-绝缘体-半导体（MIS）电容器。其中，SiNx和SiNx / Al2O3分别作为MIS电容器的绝缘层。高分辨率透射电子显微镜和X射线光电子能谱的测试结果表明，与通过电感耦合等离子体化学气相沉积生长的SiNx相比，通过原子层沉积生长的Al2O3可以有效地抑制Al2O3和In0.74Al0.26As界面的In2O3的含量。根据MIS电容器的电容-电压测量结果，计算得到SiNx / Al2O3 / In0.74Al0.26As的快界面态密度比SiNx / In0.74Al0.26As的快界面态密度低一个数量级。因此，采用原子层沉积生长的Al2O3作为钝化膜可以有效地降低Al2O3和In0.74Al0.26As之间的快界面态密度，从而降低In0.74Ga0.26As探测器的暗电流。
InAlAs 原子层沉积 Al2O3 SiNx 金属-绝缘体-半导体电容器 界面态密度 InAlAs ALD Al2O3 SiNx MIS capacitor interface state density
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
围绕新一代遥感探测仪器应用需求，中国科学院上海技术物理研究所在短波红外InGaAs焦平面探测器领域取得了一系列进展。通过低缺陷外延材料、焦平面芯片制备工艺和低噪声读出电路技术研究，研制实现了最大规模达2560×2048元的10 μm中心距1~1.7 μm InGaAs焦平面探测器，峰值探测率优于1.0×1013 cmHz1/2/W，有效像素率达到99.7%；研制实现了1280×1024元15 μm中心距的1~2.5 μm延伸波长探测器，峰值探测率优于5.0×1011 cmHz1/2/W；发展了新体制新结构器件，研制了单片集成4向偏振功能的160×128元偏振焦平面探测器，消光比优于37：1；研制了64×64元盖革雪崩焦平面探测器，时间分辨率达到0.8 ns。
铟镓砷 焦平面 短波红外 暗电流 偏振探测 雪崩倍增 InGaAs focal plane array short wavelength infrared dark current polarization detection avalanche multiplication
1 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 太赫兹技术重点实验室，上海 200050
2 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室，上海 200083
3 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
4 中国科学院大学，北京 100049
5 查尔姆斯理工大学 微技术与纳米科学系，哥德堡 SE-41296
本工作在GaP/Si衬底上基于In0.83Al0.17As异变缓冲层实现了InAs/In0.83Al0.17As量子阱的生长。研究了GaxIn1-xP和GaAsyP1-y递变缓冲层对量子阱结构材料性能的影响。采用GaxIn1-xP组分渐变缓冲层的样品X射线衍射倒易空间衍射峰展宽更小，表明样品中的失配位错更少。两个样品均在室温下实现了中红外波段的光致发光，而采用GaxIn1-xP组分渐变缓冲层的样品在不同温度下都具有更高的光致发光强度。这些结果表明在GaP/Si复合衬底上采用阳离子混合的渐变缓冲层对生长中红外InAs 量子阱结构具有相对更优的效果。
量子阱 GaP/Si 异变缓冲层 中红外 quantum wells GaP/Si metamorphic buffer mid-infrared
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
高性能大规模小像元短波红外InGaAs焦平面探测器是新一代航天遥感仪器向高空间分辨率、高能量分辨率、高时间分辨率发展需要的核心器件。文中报道了高密度InGaAs探测器阵列设计与制备，并与匹配的Si-CMOS读出电路倒焊互连形成焦平面的最新研究进展，重点突破了高密度小像素探测器的暗电流和噪声抑制、百万像素焦平面倒焊互连等关键技术，解决了高平整度芯片面形控制、In柱凸点形貌和高度一致性控制、高密度倒焊偏移控制等倒焊新工艺，研制了像元中心距10 μm的2560×2048元焦平面探测器，其峰值探测率优于1.0×1013 cm·Hz1/2/W，响应不均匀性优于3%，有效像元率优于99.7%，动态范围优于120 dB。采用该焦平面进行了实验室演示成像，图片清晰。
InGaAs 焦平面 短波红外 探测率 暗电流 InGaAs focal plane short-wave infrared detectivity dark current 红外与激光工程
2022, 51(3): 20210941
1 哈尔滨理工大学理学院，黑龙江哈尔滨150080
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海200083
3 中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050
短波红外铟镓砷(InGaAs)探测器材料的表面缺陷是发展大规模小像元焦平面阵列的核心问题之一，其中与衬底晶格失配的延伸波长探测器材料的表面缺陷控制起来尤为困难。优化了分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE) In束源炉的温度设置。结果表明，In炉上下温差为130℃时所生长的短波红外晶格失配In0.83Ga0.17As材料的表面缺陷密度最小，由此有效地将材料的表面缺陷密度由3000 cm-2左右降至约500 cm-2。结合短波红外晶格失配InGaAs材料的室温光致发光测试，经分析可知，In束源炉上下温差存在最优值的现象是由于In金属液滴和炉子顶部杂质引起卵形缺陷这两种机制的共同作用而引起的。本文制备的低缺陷密度晶格失配InGaAs探测器材料为发展高性能延伸波长短波红外焦平面阵列打下了基础。
短波红外 延伸波长 InGaAs探测器材料 表面缺陷 分子束外延 short.wave infrared extended.wavelength InGaAs detector material surface defect molecular beam epitaxy
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
短波红外InGaAs 焦平面探测器具有探测率高、均匀性好等优点, 在航天遥感、微光夜视、医疗诊断等领域具有广泛应用。近十年来, 中国科学院上海技术物理研究所围绕高灵敏度常规波长(0.9～1.7 μm)InGaAs焦平面、延伸波长(1.0～2.5 μm)InGaAs焦平面以及新型多功能InGaAs探测器取得了良好进展。在常规波长InGaAs焦平面方面, 从256×1、512×1元等线列向320×256、640×512、4 000×128、1 280×1 024元等多种规格面阵方面发展, 室温暗电流密度优于5 nA/cm2, 室温峰值探测率优于5×1012 cm·Hz1/2/W。在延伸波长InGaAs探测器方面, 发展了高光谱高帧频1 024×256、1 024×512元焦平面, 暗电流密度优于10 nA/cm2和峰值探测率优于5×1011 cm·Hz1/2/W@200 K。在新型多功能InGaAs探测器方面, 发展了一种可见近红外响应的InGaAs探测器, 通过具有阻挡层结构的新型外延材料和片上集成微纳陷光结构, 实现0.4～1.7 μm宽谱段响应, 研制的320×256、640×512焦平面组件的量子效率达到40%@0.5 m、80%@0.8 m、90%@1.55 m; 发展了片上集成亚波长金属光栅的InGaAs偏振探测器, 其在0 °、45 °、90 °、135 °的消光比优于20:1。
焦平面 短波红外 暗电流 探测率 InGaAs InGaAs FPAs SWIR dark current detectivity 红外与激光工程
2020, 49(1): 0103006
